炼钢轧管工序智能联动生产管理的方法研究

吴宏佳，李玉柱，丁黎辉

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

随着制造强国进程的不断推进，天津钢管制造有限公司（简称天津钢管）迈向智能制造的步伐也在不断加快。为落实“中国制造2025”规划，依据“以制造智能化技术为关键，在优势行业开展智能制造模式应用，提升企业智能制造技术水平”的发展思路，实现做精做强钢管主业的发展目标，需要打造坚实的专业化、智能化的制造模式，全面提升公司的竞争力，实现面向钢管产品全生命周期管理，以提质增效、高效协同为中心，逐步实现现场管理可视化，制造过程控制数字化、智能化［1-6］。

智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能制造可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。这就是智能制造的核心技术、管理要求、主要功能和经济目标，实现智能制造对于天津钢管转型升级和持续发展具有重要作用。如何做好关键制造环节智能化，是智能制造首先要研究和解决的技术问题。

钢管企业的生产组织首先是根据销售合同需求进行生产计划编制，然后按照编制好的生产计划下达生产任务，按照生产任务组织现场生产。生产计划编制的第一步是接收销售提报合同，在钢管产品规范和冶金规范的支持下，对销售提报的合同进行质量设计和产品设计。质量设计是设计合同的加工工艺途径及合同产品从材料准备、生产、检验、发货、出厂等全过程的工艺控制参数、质量控制参数、检化验要求等作业指令，而产品设计是设计合同生产加工途径中各工序的投入物料规格、质量，并根据各工序的投料原则计算合同的工序欠量（即该工序需要加工生产的需求量），销售提报的合同经过质量设计和产品设计后生成生产订单。生产计划编制的第二步是由生产订单转化为工序排产订单，工序排产订单讲明了生产什么产品，生产多少数量，何时开始生产，生产顺序，如何生产以及在哪些工序取样，检验判定等信息。

炼管、轧制、热处理、管加工是钢管生产流程中四大关键工序，前工序的产出是后工序的投料，各工序之间不仅存在物流和资源平衡问题，同时还存在时间平衡问题。考虑这些工序排序的约束，钢管生产的工序排产以轧管工序为核心，用轧管订单的管坯需求前推包含电炉、连铸的炼钢排产计划，用轧管产出的半成品后推热处理和管加工的排产计划，使前后工序从生产计划到生产执行保持联动，计划同步、物流匹配，以解决上道工序与下道工序之间的生产矛盾。以炼钢到轧管工序间的联动为例，说明钢管企业的前后工序是如何实现智能联动生产管理的。

1 由轧管排产计划倒推炼钢排产计划

生产制造管理部门接收销售提报的合同在产品规范和冶金规范支撑下进行成分、理化、公差、探伤、加工、水压等交付标准和内控要求的质量设计并生成生产订单，对生产订单进行下发确认，生成轧管工序排产订单。轧管工序排产订单不仅包括轧制长度、轧制标准、机组生产线、可选钢种等轧管层属性，同时也包括炼钢标准、坯料来源、坯分类、铸坯定尺长度等炼钢层属性。对轧管工序订单进行产品设计，根据合同的成品规格、订货长度、公差要求计算铸坯长度、倍尺数、断面直径、铸坯需求吨数等信息，生成管坯需求计划是轧管工序排产的重要内容［7-8］。

根据企业的生产特点，管坯来源包括自产管坯和外购管坯两种模式。自产管坯将合同订货量转换为炼钢生产需求，目前很多时候1 个订单的炼钢需求量不到1 炉。之后按炼钢、连铸的工艺要求，编制形成连铸组批浇次计划，供炼钢生产线按照作业计划组织后续生产。外购管坯根据质量设计结果的管坯尺寸规格、钢种等信息进行管坯外购申请。当前，按订单生产，多品种、小批量生产是钢铁行业的发展趋势，为了减少库存、节约成本，最有效的运作策略是组批生产，不同的轧管订单按照管坯来源是自产还是外购、管坯分类是锻坯还是铸坯以及钢种、断面直径、单倍坯长度等约束条件进行归并组合成一个炼钢工序订单。归并组合的限制条件是炼钢、铸造、锻造等制程不一致不能合并生成管坯需求，监制工序点不一致不能合并生成管坯需求。

炼钢工序订单与轧管工序订单之间的关系是：一个炼钢工序订单对应一个管坯需求计划，一个管坯需求计划对应一个或者多个轧管工序订单产生的管坯需求。通过把轧管工序订单的管坯需求转化为炼钢工序订单，并建立了这二者的关联关系，协调衔接了前后工序排产订单，保障了生产稳定高效。

炼钢、轧管工序联动生产管理流程如图1 所示。

图1 炼钢、轧管工序联动生产管理流程

1.1 炼钢工序排产待冶炼吨数的计算

炼钢工序排产待冶炼吨数的计算步骤如下：

（1） 计算管坯需求吨数。按照管坯断面相同，钢种相同，钢种索引码的熔炼成分有交集可以连浇生产的原则，合并在一个生产周期内的轧管订单层管坯需求吨数。

（2） 计算炼钢订单冶炼吨数。对上一步计算得到的需求的管坯质量，转换成倍尺铸坯支数且对支数进行圆整，并计算理论质量，就是该炼钢工序订单排产需要冶炼生产的吨数。

（3） 管坯利库吨数。管坯利库吨数最大值=管坯需求吨数－组浇在途吨数。为了更好地消化余材、降低库存，实现物料与生产合同关系的优化匹配，协调上下工序间物流平衡，需要在计划下发前首先进行管坯利库，用净需求量下发计划。对于没有对应作业计划的管坯进行利库管理，管坯可利库满足的要素是钢种、管坯断面、工序标准、定尺长度相同，并且对于要求监制的合同，必须按合同要求决定能否利库。

（4） 待冶炼吨数的计算。待冶炼吨数=炼钢订单冶炼吨数－组浇在途吨数－管坯利库吨数，这个吨数就是炼钢工序订单排产时需要下发生产的吨数。

1.2 浇次计划计算

浇次计划的计算用到的基础数据如下：连铸生产线铸机的最大流数、是否更换中间包的换包方式、开浇切头损失、中包铸余、连铸生产线一个浇次允许的最大炉数。

计算步骤如下：

（1） 计算一个浇次的头尾损失。浇次头部损失=连铸生产线铸机的最大流数×切头吨数；尾部损失=中间包留余。

（2） 计算一个浇次最多可以冶炼的吨数。浇次可冶炼的最大吨数=连铸生产线一个浇次允许的最大炉数×电炉设备最大出钢量上限－浇次头尾损失。

（3） 本浇次工序排产订单冶炼吨数。浇次排产订单冶炼吨数=MIN（浇次可冶炼的最大吨数，待冶炼吨数）。

（4） 计算本浇次排产订单冶炼炉数。［（浇次排产订单冶炼吨数＋浇次头尾损失）÷出钢上限］取整，［（浇次排产订单冶炼吨数＋浇次头尾损失）÷出钢下限］取整，取这2 个整数之间最小的整数为本浇次排产订单冶炼炉数。

2 由炼钢生产实绩触发轧管排产订单下发

2.1 生成轧管装炉计划虚表记录

由轧管工序排产订单推算出管坯需求，生成炼钢工序排产订单，由炼钢工序排产订单通过使用1.2 节的计算方法编制炼钢浇次计划，为了保证供应给轧管的坯料顺畅，不同钢种不同断面的管坯提前准备时间虽然要求稍微有所不同，但一般需要在轧管开轧前5 h 准备好坯料，提前24 h 电炉炼钢，所以炼钢的浇次作业计划安排要充分考虑轧管的生产作业计划时间。

炼钢浇次计划编制完成后确认下发，同时生成轧管工序排产订单向下对应的轧管装炉计划虚表，此时，记录的是已经排了浇次计划的连铸计划数据，写轧管装炉计划虚表数据用到了虚拟材料技术。只有轧管装炉计划虚表有数据，轧管工序排产订单才可以下发。提前写虚表使物流衔接紧密，体现了为后工序服务的思想理念，尽可能节约能源，降低成本，缩短生产周期。

2.2 生成轧管装炉计划实表记录

炼钢浇次计划下发之后，生成电炉炉次计划，开始执行炼钢生产实绩，按照冶金规范制程要求的工序，经过电炉、LF 钢包精炼炉、VD 真空脱气炉、RH 真空循环脱气炉、连铸机、连铸切割等生产工序后进入管坯表面质量检验、管坯精整下线入库、管坯判定等生产实绩工序。根据炼钢生产实绩对作业计划状态进行跟踪处理，对管坯生产信息进行跟踪。

轧管工序作业计划是用虚拟计划编制组合实际作业计划编制来实现的，当上道工序炼钢的生产实绩产出物料管坯完成质量判定时，自动将下道工序轧管的虚拟计划转为实际计划。即当炼钢管坯判定完成，用炼钢排产订单号与轧管排产订单号的对应关系生成对应的轧管工序排产装炉计划实表，实表中是已经判定并确认可以投入的上料支数和上料吨数。

3 订单状态

炼钢浇次计划下发后，该浇次计划开始生产，则该炼钢工序排产订单已经由计划状态变为生产状态，进入生产执行阶段。此时，对应的轧管工序订单是计划状态，该轧管订单向下的装炉计划可以下发。同理，对于轧管工序排产订单，轧管装炉计划下发后，该装炉计划开始轧制生产，轧管生产的第一道工序是管坯上料和锯切，锯切完成后意味着管坯已经不能原样退回管坯库，轧管工序排产订单下的装炉计划全部执行到管坯上料锯切完成，则该轧管工序排产订单由计划状态进入轧管生产执行中的状态。

由轧管工序排产订单倒推炼钢工序排产订单时，明确地给出了炼钢订单的投入量和产出量，在炼钢生产实绩过程中，由于兼具化学变化和物理变化，难免有意外情况发生，导致生产实绩与订单计划不符。例如，炼钢熔炼成分不符合要求，而考虑生产时间成本不能继续冶炼该排产订单时，生产厂调度人员就可依据实际生产情况调整作业计划，依据规则来判断是否断浇。此时，炼钢浇次计划下发却没有全部执行完成，但因为炼钢浇次计划下发后炼钢订单已经进入生产状态，轧管装炉计划虚表已经写入了装炉计划，对应的轧管工序排产订单已经是下发状态，可以通过补量处理来满足轧管订单的需求量，如果轧管工序订单状态关闭则不能补量，只能通过补增新的订单处理。

当炼钢订单下的所有浇次计划都进行了生产实绩回报、没有在途且全部判定，对应的炼钢订单是“生产完毕”状态。同样，当轧管订单下所有装炉计划都进行了生产实绩回报、没有在途且全部判定，对应的轧管订单是“生产完毕”状态。当轧管订单为“生产完毕”状态则对应的炼钢订单一定为关闭状态，关闭状态的订单禁止补量操作。炼钢订单补量的处理办法有2 种：一种是直接在原炼钢订单增加冶炼吨数，原管坯需求计划号不变；另外一种办法是通过拆分轧管订单增加管坯需求吨数，此时放弃了原管坯需求计划号。

4 应用效果及结语

天津钢管主业智能产销管理项目全线贯通以来，运行稳定。通过建立的炼钢、轧管工序间智能联动生产管理，加快了生产节奏，减少了物料在库滞留时间，缩短了产品的生产周期，实现了客户交货期最短化。综合成材率提高，客户响应时间缩短。钢管智能产销管理全线贯通对于提升公司产品开发能力、生产经营能力以及综合竞争能力具有重要意义。炼钢、轧管工序间智能联动生产管理的建立，加快了物流运转速度，缩减了仓库使用，钢管半成品库存下降，减少了资金占压。